激光粉末床熔融原位热处理制备高强度H13热作模具钢的纳米强化机制研究

针对激光粉末床熔融（LPBF）加工H13热作模具钢易产生残余应力与开裂的难题，本研究创新性地采用基板预热原位热处理策略，系统探究200°C与500°C预热温度对微观组织与力学性能的影响。研究发现500°C预热试样实现1,451 MPa的创纪录屈服强度（YS），其核心机制在于：纳米级残余奥氏体（γR）含量降低，胞内组织发生贝氏体（B）与马氏体（M）的复合相变，并通过背应力强化（back-stress）及变形协同效应显著提升强度。该成果为优化增材制造模具钢的强韧平衡提供了关键理论支撑。

　　

研究背景与意义

热作模具钢H13因其优异的强度、耐磨性和抗热降解能力，被广泛应用于医疗器械、植入物加工模具等领域。随着精密医疗器械复杂度的提升，传统铸造与机加工技术难以满足高精度随形冷却模具的制造需求。激光粉末床熔融（LPBF）技术虽能实现复杂结构一体化成形，但其急剧的温度梯度会导致H13钢发生马氏体相变，引发残余应力和开裂风险。传统后热处理虽能缓解应力，但存在成本高、形变不可控等问题。因此，如何通过原位工艺调控实现高性能LPBF-H13钢的制备，成为医疗器械精密制造领域的核心挑战。

上海大学材料基因组研究所的研究团队创新性地采用基板预热策略，通过200°C（200 PH）和500°C（500 PH）两种预热温度实现原位热处理，系统揭示了预热温度对微观组织演化及力学性能的作用机制。研究发现，500 PH试样实现了迄今报道的最高屈服强度（1,451 MPa），并首次阐明纳米级γ_R约束变形诱导的背应力强化规律。该成果发表于《Nano Materials Science》，为增材制造高性能医疗器械模具提供了新范式。

关键技术方法

研究团队通过以下核心技术开展系统性实验：

1. 基板预热LPBF工艺：采用TruPrint 5000系统，固定激光功率（270 W）、扫描速度（1,230 mm/s）、层厚（40 μm）和扫描间距（100 μm），仅调控基板预热温度（200°C vs 500°C）制备立方体与拉伸试样。
2. 多尺度表征技术：结合光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分析熔池形貌与胞状亚结构；通过电子背散射衍射（EBSD）区分马氏体（M）与贝氏体（B）；借助透射电镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）解析相组成及晶格常数演变；利用X射线衍射（XRD）定量纳米γ_R含量。
3. 力学行为解析：开展室温拉伸试验（应变速率1 mm/min）获取应力-应变曲线；通过加载-卸载-再加载（LUR）测试量化背应力（σ_b）；结合应变硬化率（Θ）与柯塞尔平均取向差（KAM）分析变形机制。

研究结果与发现

3.1 微观组织特性

3.1.1 致密化与细观结构
500 PH的熔池平均宽度（179.965 μm）和深度（82.967 μm）显著大于200 PH（132.507 μm × 77.713 μm），归因于预热温度升高减缓冷却速率。二者相对密度均超99.94%，表明工艺参数可兼顾不同预热温度的成形质量。

3.1.2 胞状亚结构与元素偏析
500 PH的胞状结构平均直径（1.125 μm）大于200 PH（0.876 μm）。能谱（EDS）显示C、Cr、Mo在胞界偏析，其中200 PH的C偏析比（k_c）更高（图4）。这种偏析通过提高γ相稳定性，延迟马氏体相变起始温度（M_s）。

3.1.3 相组成与晶格演化
XRD与EBSD表明：200 PH中胞内γ完全转变为M（γ_R含量12.91%）；500 PH则发生部分贝氏体相变（B含量41.67%），剩余γ转变为M（图5-6）。TEM晶格常数测定揭示：500 PH中纳米γ_R的晶格常数（0.404 nm）大于200 PH（0.362 nm），而B/M基体晶格常数更低，证实高温预热促进C从B/M向γ_R扩散（类Q&P效应）。

3.2 力学性能

3.2.1 拉伸性能
500 PH的屈服强度（YS=1,451 MPa）和极限抗拉强度（UTS=1,956 MPa）显著高于200 PH（YS=1,065 MPa, UTS=1,853 MPa），但延伸率较低（5.17% vs 10.80%）。500 PH的YS创LPBF-H13钢迄今最高纪录（图8b）。

3.2.2 应变硬化行为
应变硬化率（Θ）曲线显示：200 PH呈两阶段下降（Θ值从0.670降至0.299）；500 PH呈三阶段特征（Θ值从0.760逐步降至0.164）。LUR测试表明500 PH的背应力（σ_b）全程高于200 PH，其强化贡献更持久（图13）。

3.2.3 断裂机制
200 PH断口呈现准解理特征（解理面+韧窝），裂纹源于M相断裂；500 PH以解理断裂为主，微孔洞和二次裂纹沿M/B界面扩展（图10）。KAM分析证实变形后M/B相区几何必需位错密度（ρ_GND）显著升高（图15），而纳米γ_R通过相变诱导塑性（TRIP）效应提升延性。

结论与意义

本研究通过原位热处理策略成功调控LPBF-H13钢的纳米级强化机制，获得三项突破性结论：

1. 相变路径调控：500°C预热使胞内γ发生贝氏体相变（B含量41.67%），形成B/M/γ_R三相组织，而200°C预热仅生成M/γ_R双相结构。
2. 背应力强化机制：独特"硬核-软壳"胞状结构（硬质B/M被软质纳米γ_R包裹）在变形中产生强背应力（σ_b）。500 PH因更高强度差产生更显著GNDs累积，其σ_b贡献率较200 PH提升36%，直接推升YS至1,451 MPa。
3. 损伤演化规律：200 PH中纳米γ_R与M的协同变形延缓裂纹萌生；500 PH中M/B界面应变失配引发微孔洞聚集，导致早期开裂。

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